Siamo con la Professoressa Catalina Curceanu, presso i laboratori nazionali dell’Istituto di Fisica nucleare di Frascati per occuparci di Fisica quantistica.
Che cosa è e cosa studia la fisica quantistica ?
La Fisica quantistica è una teoria nata circa 100 anni fa dallo sfrozo di diversi scienziati tra i quali Albert Einstein. E’ uno dei pilastri della fisica moderna e della nostra realtà. Per farvi un’ esempio nella vostra telecamera, che immagino sia digitale, è presente un rivelatore CCD, per la cui comprensione la meccanica quantistica è un aspetto fondamentale. La telecamera non potrebbe funzionare se noi non avessimo compreso che le leggi che governano i processi che avvengono nel silicio, sono delle leggi che appartengono ad un mondo infinitamente piccolo, in cui non sono applicabili le leggi che governano il mondo macroscopico.
In che modo la realtà che noi vediamo tutti i giorni è sorpassata dalla fisica quantistica?
La realtà è regolata da leggi un po’ diverse, come le leggi sociali e la storia. Per fare una metafora posso raccontarvi un bellissimo racconto di Dino Buzzati, in cui la moglie del protagonista si sveglia una notte con la sensazione che nel giardino di fronte la loro abitazione possa essere stato commesso un crimine. Il marito per tranquillizzarla la porta alla finestra a guardare il giardino mostrandole che non è accaduto nulla. Nella conclusione del racconto emerge che il giardino, a livello microscopico, è animato da moltissimi insetti e proprio tra loro è avvenuto un crimine. Esistono vari livelli di realtà anche nelle nostre ricerche, che sono animate più che dalla volontà di costruire qualcosa, come una nuova telecamera, dalla curiosità di comprendere il funzionamento del mondo. Questa curiosità, nel campo specifico della meccanica quantistica ci ha portato a capire che tutto parte dalla struttura dell’atomo. Siamo partiti da una domanda molto semplice, relativa alla composizione di queste particelle e da lì abbiamo scoperto che nel mondo dell’atomo non valgono le leggi del macrocosmo. Questo assunto è fondamentale visto che se così non fosse, il mondo non potrebbe proprio esistere, l’elettrone non potrebbe girare intorno al nucleo all’inifinito, cadrebbe in frazioni di tempo infinitesimali, crollerebbe sul nucleo e il mondo scomparirebbe. Questa è stata una scoperta degli anni ’20, nata da un postulato di Bohr, che ha ipotizzato che gli elettroni rimangono su queste orbite chiamate stazionarie, situate ad una determinata distanza dal nucleo, una distanza quantificata. Successivamente si è capitoper quale motivo l’elettrone dovesse stare in quella esatta posizione, ed è stata sviluppata una legge con basi matematiche. Vorrei aggiungere però che ancora oggi ci sono delle incognite riguardo le fondamenta della meccanica quantistica. Tanto che anche Bohr stesso disse che “chi capisce veramente la meccanica quantistica può ben dire che non la capisce”. Proprio perchè ci sono delle domande, come il concetto di ubiquità che non sono state totalmente chiarite.
Ci parli dell’ubiquità, cosa intende?
Intendo che l’elettrone che noi immaginiamo essere una particella ben localizzata, nell’ambito della meccanica quantistica, assume un compertamento diverso. Infatti ha la capacità di sdoppiarsi. Come se un essere umano potesse passare simulatneamente attraverso due porte poste ad una certa distanza l’una dall’altra. Questo fenomeno si è verificato non solo con l’elettrone, ma anche con il protone, o altre molecole come il fuolerene o molecole più grandi. Questo comportamento è possibile grazie alla duplice natura di onda e particella. Abbiamo capito che questi elementi hanno aspetti complementari del comportamento, che ricadono sulla nostra stessa esistenza.
Heisemberg, se ricordo bene ha detto: “ Perché studiare l’ente e non il niente?” Questa affermazione si collega alla meccanica quantistica.
Heisemberg è stato un personaggio molto interessante, il suo rapporto con la filosofia è stato di amore e paura, come risulta dai suoi racconti e scritti. Il nostro metodo di indagine è a metà fra la ricerca sul niente e sul tutto. Oggi abbiamo scoperto che il niente non esiste, é anzi una entità che ribolle di energia e processi, spiegati da Heisemberg, tramite la relazione di incertezza, ovvero il principio di incertitudine di Einstein, che dimostra come nel vuoto avvenga una reazione istantanea che produce particelle ed anti-particelle che a loro volta creano energia. Da qui sono nate altre domande che hanno portato al concetto di energia come materia oscura. Lo studio della fisica parte dalle particelle fino ad arrivare al cosmo, allo studio delle stelle e dell’universo. L’infinitamente piccolo e l’infinitamente grande si ricongiungo, e le domande poste per la loro comprensione si avvicinano sempre di più.
Professoressa vorrei chiederle di approfondire due fenomeni, di cui altri ricercatori mi hanno parlato. Uno riguarda il caso di due elettroni con spin opposto che si trovano a girare su uno stesso orbitale attorno ad un nucleo. Mentre l’altro riguarda un esperimento, di cui lei magari ci spiegherà le implicazioni, che consiste nel rapporto di interazione fra un elettrone che ipotizziamo si trovi qui, nei laboratori di Frascati, ed un altro che da qui viene successivamente portato a New York. Cambiando lo spin dell’elettrone che si trova a Frascati, simultaneamente cambia lo spin dell’elettrone che è a New York, un fenomeno straordinario. Quali implicazioni potrebbe avere?
Il Termine tecnico sarebbe spooky action, azione a distanza, ed è in effetti uno degli aspetti più inquietanti della fisica moderna. Collegato anche al famoso paradosso Einstein-Podolsky-Rosen, sul quale stiamo portando avanti delle ricerche nei nostri laboratori. In merito all’esperimento di cui ci ha parlato le posso dire che è stato dimostrato che prendendo due particelle che in passato hanno interagito, ossia sono state in entanglement, traducibile in italiano come in relazione, e ponendole ad una qualunque distanza (una qui mentre l’altra in un’altro pianeta) ed andando successivamente a misurare le variazioni dell’una ci si rende conto che l’altra sa simultaneamente cosa le è successo. Nella meccanica quantistica questo fenomeno è stato spiegato come non località, ovvero come se fra le due particelle venisse trasmesso un messaggio, come se fossero telepatiche. Tuttavia gli studi in merito all’entanglement non sono ancora esaustivi pur essendo un processo che sta affascinando tanti studiosi. Mentre a proposito degli elettroni, un altro principio della fisica quantistica, il Principio di esclusione di Pauli, sostiene che possano esisterne due con spin opposti intorno ad uno stesso orbitale. Il mio gruppo di ricerca sta portando avanti un esperimento presso i laboratori sotterranei del Gran Sasso volto a dimostrare che tale principio possa essere violato. Da un lato questa sarebbe una scoperta da Nobel, dall’altro sarebbe una scoperta da “ignobel” visto che metteremmo in dubbio uno dei capisaldi della scienza moderna.
Il fenomeno della spooky action fra gli elettroni, mi fa pensare a due gemelli che pur trovandosi a distanza, si influenzano. Quello che succede ad uno accade anche all’altro. Può esserci un collegamento fra ciò che avviene fra gli elettroni e ciò che avviene fra due gemelli?Non lo so, questa relazione non è dimostrabile dal punto di vista scientifico, ma è spiegabile dal punto di vista biologico, poiché avendo un patrimonio genetico molto simile, non c’è da stupirsi che possano ad esempio incorrere nelle stesse malattie, o in processi che coinvolgono la nostra struttura corporea. Per quanto invece riguarda le sensazioni e i sentimenti non posso pronunciarmi, anche se c’è un ramo di fisici che sta indagando su aspetti della coscienza potenzialmente riconducibili alla meccanica quantistica.
Se ho ben capito ciò che sta dicendo è collegato al fatto che l’elettrone può avere al suo interno uno spazio tempo ed una entropia diversa da quella che intendiamo?
Non necessariamente questo anche se è un discorso affascinante, ed è parte della nostra descrizione della natura. Piuttosto il fatto che a livello di coscienza esistono dei microtuboli, in cui avvengono processi messi in atto con un numero limitato e piccolo di particelle, che potrebbe voler dire che gli aspetti macroscopici descritti con una natura continua, diventano discontinui, quindi quantificati. Per cui, le leggi della meccanica quantistica potrebbero avere un qualche ruolo e peso, ma siamo agli albori di questo tipo di ricerca sulla coscienza.
Mentre parlo con lei ho la sensazione che siamo tutti collegati in una sorta di rete in cui ognuno di noi ha un suo ruolo e funzione indipendente dagli altri. L’entanglement spiega come ogni azione effettuata da ciascuno di noi ricada su ogni piccola parte dell’universo.
Si, ognuno di noi è parte dell’universo ma credo piuttosto che ciò sia spiegabile con il fatto che abbiamo una storia e una cultura comune e l’ essere in relazione deriva da ciò più che dalla nostra struttura corporea. Si può dire se vogliamo che la cultura è un derivato del DNA, che condividiamo al 99% con tutti gli animali sulla terra. Un patrimonio le cui radici sono lontane nel tempo e sono rintracciabili nel processo di creazione della vita, a partire dalla prima molecola fino ai nostri giorni. Percorso che frequentemente è oggetto di indagine della biologia e della chimica. Per concludere si potrebbe dire che l’evoluzione ci ha portato ad essere entangled culturalmente.
Nella vostra ricerca, quella entità che noi chiamiamo Dio, spirito o presenza soprannaturale si percepisce? C’è in ciò che studiate qualcosa che sfugge oppure no?
Le posso unicamente dare un parere personale. Credo che più di tutto si percepisca la nostra natura umana, è la nostra curisosità e testardaggine che ci porta avanti. Per quanto riguarda la natura invece ciò che si percepisce ed è stupefacente, è che essa abbia un linguaggio, un linguaggio matematico, regolato da leggi e simmetrie. Tutto questo ha generato e continua a generare domande e punti di vista differenti. Ci si chiede spesso se la matematica è un’invenzione o una scoperta e la risposta a questa domanda ci qualifica e ci dà diritto a pensarla diversamente sulla natura. Per noi non è lo stesso poiché possiamo indagare su noi stessi, e sulla natura. Per me non c’è nulla di sovrannaturale, anzi questi fenomeni sono “ normali”.
Qual è l’esperimento che state facendo qui?
Ne facciamo molti e non solo qui, tanti miei colleghi lavorano a Ginevra. Con il mio gruppo portiamo avanti un esperimento che si chiama Siddharta, in cui studiamo atomi esotici, “geneticamenti modificati”. L’elettrone viene sostituito dal caone generato dall’accelleratore. La ricerca è rivolta alla spiegazione del comportamento di questo atomo, e permette di capire meglio aspetti dell’interazione nucleare fra il caone ed il protone in modo da giustificare alcuni degli aspetti complementari riguardo la natura della massa, dimostrando l’esistenza dell’insostenibile leggerezza dell’essere.
All’interno dei laboratori dell’Istituto, si trova l’accelleratore Dafne, con il quale vengono create le particelle che contengono il quark strano, oggetto di studio dei ricercatori.
Che cos’è il quark strano, una particella?
E’ come i quark che costituiscono il protone ed il neutrone, di cui ad oggi sappiamo non essere particelle fondamentali. Allo stesso modo esistono in natura dei quark particolari, come il quark strano. Il nostro studio è rivolto alle particelle che lo costituiscono, che si chiamano caoni.
Come avviene l’esperimento e cosa succede durante?
All’interno dell’accelleratore facciamo scontrare due fasci, uno di particelle, quindi di materia costituita in tal caso da elettroni, e l’altro di anti-materia, per la precisione di anti-elettroni: i positroni. Lo scontro avviene ad una data velocità in un punto di interazione che genera un processo di annichilazione. Poi tramite la conservazione dell’energia, data dalla formula di Einstein, si creano in ultima fase delle particelle chiamate caoni, che in natura troviamo nei raggi cosmici ma che esistono in quantità limitate. Prima di procedere alla loro creazione, mettiamo intorno all’area di scontro dei due fasci dei rivelatori di particelle. Il nostro, quello che stiamo installando sulla macchina si chiama Cloe, e rappresenta i nostri occhi, permettendoci di guardare e misurare i processi che avvengono.
Lei ha parlato di annichilazione, che avviene per mezzo dell’incontro tra un elettrone ed un positrone, parliamo quindi di materia ed antimateria?
Si, ma più che un incontro avviene uno scontro di due candidati all’interazione, che da luogo ad una istantanea trasformazione in una palla di energia, che nello stato finale si rimaterializza in un numero, una quantità e qualità di particelle proporzionale alla quantità di energia a cui vengono sottoposti i due fasci.
Una domanda per i non addetti ai lavori, la materia e l’anti materia da dove la prendete?Questa è un’ottima domanda, che nessuno si pone mai. L’antimateria viene creata utilizzando un fascio di elettroni a monte dell’accelleratore. Gli elettroni sono facilmente reperibili, basti pensare che sono presenti anche nelle nostre case all’interno dei televisori. Essi vengono indirizzati contro un bersaglio metallico, come il tungsteno. Dopo l’interazione fra i due elementi, si generano numerose particelle fra cui anche i positroni, che vengono prelevati con opportuni campi elettrici e magnetici.
Professoressa, hanno massa questi positroni?
Si hanno una massa pari a quella degli elettroni ma hanno una carica elettrica opposta. Vorrei sottolineare inoltre che i positroni sono entrati pienamente nella vita di tutti i giorni, pochi sanno infatti che in alcuni opsedali le ricerche sui tumori, vengono effettuate per mezzo della Positron Elettron Tomography, che sfrutta proprio l’annichilazione fra l’elettrone e il positrone. Questo per dire che i nostri studi hanno applicazioni di utilità sociale, in questo caso nel campo sanitario.
I positroni e gli elettroni dove vengono immessi ?
Una volta create all’interno dell’accelleratore lineare vengono impacchettate in un altro accelleratore ed attraverso un tubo metallico e dei magneti, ossia configuarzioni di campi elettrici e magnetici, vengono inniettate nella macchina Dafne, la macchina madre. C’è poi un ulteriore strumento, Finuda, un rivelatore di particelle attualmente non in funzione, ma che inizialmente utilizzavamo per studiare i cosidetti nuclei esotici, iper nuclei, nei quali inniettavamo e generavamo una particella che contiene il quark strano. Noi li creavamo per studiare le capacità e le caratteristiche dei nuclei che a tutt’oggi ci sfuggono. Il quark strano inviato attraverso un particolare processo nel nucleo, fungeva da spia per rilevare le caratteristiche del nucleo altrimenti difficilmente reperibili.
Chiudiamo l’intervista con un appuntamento. Nell’800 i Fisici dicevano di aver scoperto tutto. Successivamente invece ci si è resi conto che non era così. Cosa ne pensa se apriamo il mondo della meccanica quantistica all’esterno, con degli incontri nei quali approfondire queste tematiche?
Io ne sarei molto felice perché la scienza è parte della nostra vita e non sapere nulla sulla natura che ci circonda vuol dire perde qualcosa ed è un vero peccato, quindi non possono che essere entusista di condividere con chiunque voglia i nostri segreti.
Il video dell’intervista è visibile al seguente link: Italialivetube